第2章存储器

1、第2章 存储器 2.1 2.1 存储器基础存储器基础 存储器是用来存储程序和数据的重要部件。 在存储器中存储数据的基本单位是存储单元，在按字节（B）编址的计算机中，每个存储单元由8个二进制位（1个字节）组成，占用一个地址编码，CPU对存储器进行信息的写入和读出就以字节（或字节的倍数）作为最基本的单位。 2.1.1 存储器的分类 2.1.2 半导体存储器的性能指标 1.存储容量芯片容量=存储单元数每单元位数例如，存储容量为1284的存储芯片表示它有128个存储单元，每个存储单元只能存储4位二进制信息。2.存取时间 存取时间是指存数的写操作和取数的读操作所占用的时间，一般以ns为单位。存储器芯片出

2、售时一般要给出典型的存取时间或最大时间。例如某芯片外壳上标注的型号为2732A-20，表示该芯片的存取时间为20ns。3.功耗功耗可用每块芯片总功率来表示，单位为mW/芯片，也可用每个存储单元所耗的功率，单位为W/单元。4. 可靠性一般用平均无故障时间来描述，目前一般在105106之间。2.1.3 半导体存储器的特点 1. RAM的特点1）静态RAM的特点 一般用6个MOS管构成的触发器作为基本存储元，存放一位（b）二进制信息 集成度低于动态RAM，适合做小容量的存储器 不需要刷新，易于用电池作备用电源，以解决断电后继续保存信息的问题 功耗低于双极型RAM，但高于动态RAM2）动态RAM的特点

3、 一般采用单管作基本存储单元，依靠寄生电容存储电荷来存储信息 集成度高，适合做大容量的存储器 需要定时刷新，通常刷新间隔为2ms 功耗较静态RAM低，位价格也较便宜2. ROM的分类及特点1）掩膜式ROM 用厂家定做的掩膜对存储器进行编程，一旦制造完毕，内容固定不能改变。 适合批量生产，但不适合科学及工程研发2）一次可编程式的PROM 允许用户一次性写入，再也不可更改。因此，不适合于研发。3）可擦写式的EPROM 允许用户多次写入信息。写入操作由专用设备完成，但写入之前必须先擦除原来写入的信息。 按照擦除方式的不同，又可分为紫外光擦除的UVEPROM和电擦除的EEPROM 写入时电压要求较高（

4、一般为2025V），写入速度较慢而不能像RAM那样作随机存取存储器使用 2.2 随机存取存储器 随机存取存储器（Random Access Memory）: 随时读取已存放在其各个存储单元中的数据，而且还能够随时写入新的信息。 RAM通常可以按存储原理的不同分为静态RAM（SRAM，Static Random Access Memory）和动态RAM（DRAM，Dynamic Random Access Memory)。2.2.1 RAM的基本结构 1.地址寄存器和译码器 字线和存储单元的总数是相等的，它与地址线条数的关系是：W=2n 其中，W为字线数，n为地址线条数。 采用两个方向译码的结构

5、，如图2-3所示。若n=10，p=6，则总计为26+24=80条字线，比单译码器结构210条字线要少很多。2存储阵列 存储阵列是存储器的主体，实质上是由基本存储位元组成的集合体，每个基本存储位元存储1位二进制信息。 3三态双向缓冲器 三态双向缓冲器用于将存储器连接在总线上，实现与CPU读/写两个方向的数据缓冲。 4控制电路 控制电路通过控制引脚R/W和/CE（Card Enable）接收CPU送来的控制信号，经过组合变换后对地址寄存器、存储阵列和三态双向缓冲器等进行控制。 2.2.2 静态RAM基本存储电路 2.2.3 动态RAM基本存储电路 2.2.4 RAM举例 1. 62256 SRAM

6、芯片 62256是一种32K8位的高集成度的SRAM，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚封装，其芯片引脚排列如图2-6所示。图2-6 6264/62128/62256引脚分配62256的内部结构如图2-7所示。表2-1 62256工作方式选择表 24164 DRAM芯片 DRAM集成度较高，对于同样的引脚数，其单片容量往往比SRAM高。内部存储单元按矩阵形式排列成存储体，通常采用行、列地址复合选择寻址法。 图2-9 4164芯片的行列地址多路转换2.3 只读存储器 只读存储器简称为ROM。ROM中的信息，通常是在脱机状态下或在特殊环境下写入的，故把ROM的写信息又称为编程。ROM的另一

7、特点是它所存储的内容在断电时不会消失，称为非易失性存储器储器。 ROM按照存储原理的不同，又可以分为掩膜的ROM，一次编程PROM和可擦除可编程EPROM。2.3.1 ROM的基本结构 主要由地址寄存器、地址译码器、存储阵列、输出缓冲器等部件组成，如下图2-10所示。 图2-10 单向译码的ROM芯片内部结构图2.3.2 掩模ROM原理 图2-12 328熔丝式PROM原理图2.3.3 PROM原理 2.3.4 EPROM原理 EPROM可以分为两种，一种是“用紫外线擦除的EPROM”，简称为UVEPROM（Ultra Violet EPROM），另一种是“用电擦除的EPROM”，简称为EEP

8、ROM（Electrically EPROM）或E2PROM。 1. UVEPROM UVEPROM的基本存储位元主要由一只浮置栅雪崩注入式MOS管（简称为FAMOS，Floating gate Avalanche injection MOS）构成。其中，FAMOS管可以分为P沟道和N沟道FAMOS管两种，下面以P沟道FAMOS管为例来介绍其工作原理。 2. E2PROM E2PROM是一种不用从电路板上拔下，而在线直接用电信号进行擦除和写入的EPROM芯片。 E2PROM可以分为片擦除和字节擦除两种方式 。2.3.5 ROM举例 表2-2 27系列常用的EPROM存储器27256的主要操作方

9、式有编程、校验、读出、维持、编程禁止等，如表2-3所列。 图2-14 27256内部结构和引脚分配表 2-3 27256的工作方式选择表2.3.6 闪速存储器 闪速存储器（Flash Memory）简称Flash，是一种新型的半导体存储器，具有可靠的非易失性、电擦除性及低成本等优点。Flash的擦除功能可以迅速清除整个存储器的所有内容，速度是E2PROM的10倍以上，故称为闪速存储器。它的制造特别经济，可以被擦除和重新编程几十万次而不会失效，广泛应用于需要实施代码或数据更新的嵌入式系统中。2.4 一般CPU与存储器的连接及扩展 存储器无论是RAM还是ROM，都是通过地址总线、数据总线以及若干条

10、控制总线与CPU连接。 2.4.1 连接中应考虑的问题 1）存储器芯片类型的选择2） 工作速度匹配3）MCS-51对存储容量的要求2.4.2 存储器位数的扩展 位扩展时，存储器芯片与CPU的连接比较简答，主要是以下两点： 每个芯片的地址线An-1 A0、/CS、/WE各自连在一起后，和CPU（总线）各同名端分别相连； 每个芯片的数据输出线各自独立，即每片一位（或若干位）单独引出，如果芯片的数据输入和输出是分开设置的，还需将两个引脚合并在一起，连到CPU（总线）的相应数据线图2-15 4K8位2141芯片组2.4.3 存储器字数的扩展 由地址信号选择芯片的过程就称为“片选”。通过片选，能将存储器

11、芯片与所确定的地址空间联系起来，即将芯片中的存储单元与实际地址一一对应，这样才能通过寻址对存储单元进行读写。 1.线选法 这种方法直接使用CPU地址中某一位高位地址线作为存储器芯片的片选信号，其优点是连接简单 图2-16 线选法扩展存储单元2全译码法全译码法的特点是使用CPU的全部高位地址线参与译码器译码后作为存储芯片的片选信号。例如，用4片2764（8K8位）存储芯片采用全译码法组成32K8位存储器芯片组，其中片内地址线13条，为A12A0，片选地址3条全部加到一个3-8译码器上，如下图所示。3部分译码法 部分译码法是指用CPU的部分高位地址线参与译码后作为存储芯片的片选信号。它是线选法与全

12、译码法的一个折中，一方面可以简化译码器的设计，另一方面有较强的存储器容量扩展能力和连续的存储器范围。 为了确定每片芯片的地址范围，悬空没用到的高位地址（A15、A14）可假设为“0”，这样确定出来的地址与线选法中的一样，都称为“基本地址” 。2.4.4 存储器字数和位数的扩展 实际存储器往往需要字和位同时扩充，此时按照先位扩展后字扩展的顺序来完成。 例如，用1K1位芯片构成2K8位的储存器，就要用16片拼装而成。每8片作为一组，产生8位数据输入输出，按照相同功能的控制线都并联在一起的原则，进行位扩展。位扩展后可以将每一组看成单独的一片芯片，按照字扩展的连接方案来设计出具体的连接图。2.4.5 CPU与ROM和RAM芯片的连接 只需要将CPU的地址输出线与ROM的地址输入线相连，CPU的数据输入线与ROM的数据输出线相连。控制线的连接